Интернет-учебник по расчету кабельной продукции

Регулирование электрических полей

Целью регулирования электрического поля является повышение эффективности использования изоляции за счет повышения однородности электрического поля. Выравнивание электрического поля в теле изолятора и на его поверхности позволяет уменьшить габариты изоляционных конструкций. При этом на поверхности твердого диэлектрика не должна превышать на поверхности электродов в отсутствии твердого диэлектрика. Добиться этого можно выбором оптимальной конфигурации изолятора, применением системы экранов и другими приемами.

Для оптимизации конструкций изоляторов не только рассчитываются электростатистические поля и их искажение объемным зарядом, но и учитываются процессы, происходящие в объеме и на поверхности изоляторов, которые влияют на распределение поля. Анализ электрических полей для некоторых простейших конструкций можно осуществить аналитически. Поля в сложных конфигурациях моделируются в электрических ваннах или на полупроводящей бумаге. Поля сложной конфигурации рассчитываются численно на ЭВМ (методы интегральных уравнений, эквивалентных зарядов, сеток и др.) с обеспечением погрешности вычисления не более 5-10%.

Для характеристики формы электрического поля в изоляционном промежутке используют коэффициент неоднородности поля , где и - соответственно, максимальная и средняя напряженность в промежутке, или коэффициент использования изоляции .

При отсутствии специальных мер электрические поля в изоляционных конструкциях установок высокого напряжения получаются, как правило, резконеоднородным ( > 3,0). Изоляционные промежутки с такими полями обладают рядом существенных недостатков. Так в воздушных промежутках с > 3,0 при относительно низких напряжениях возникает коронный разряд, сопровождающийся значительными потерями энергии и мощными радиопомехами. Средние разрядные напряженности для таких промежутков при изоляционных расстояниях до 2 метров - примерно в 4-5 раз ниже, чем для промежутков со слабонеоднородными полями. При увеличении изоляционных расстояний свыше 2 метров средние разрядные напряженности постепенно снижаются еще больше.

Для внутренней изоляции практически любого типа с резконеоднородными электрическими полями характерны относительно низкие напряжения возникновения частичных разрядов и, следовательно, низкие длительная и кратковременная электрические прочности.

Выравнивание электрического поля во всех случаях дает повышение электрической прочности промежутков и позволяет сократить изоляционные расстояния в конструкции. Например, толщина d внутренней изоляции во многих случаях определяется из условия , где - допустимая максимальная напряженность при расчетном значении напряжения . Этому условию соответствует неравенство . Следовательно, выравнивание электрического поля дает уменьшение толщины внутренней изоляции пропорционально . Таким образом, с помощью регулирования электрических полей решаются задачи снижения потерь на корону и уровня радиопомех, а так же уменьшение изоляционных расстояний во внешней и внутренней изоляции. Тем самым решаются задачи создания экономически целесообразных высоковольтных конструкций.

Оптимальная степень выравнивания поля должна определяться в каждом конкретном случае на основе анализа технико-экономических показателей всех возможных вариантов исполнения установки в целом. Опыт разработки изоляционных конструкции свидетельствует о том, что с увеличением экономическая эффективность различных средств регулирования электрических полей резко возрастает. Для сверх- и ультравысоких конструкций без эффективного регулирования полей, как правило, технически неосуществимы.

1. Подбор радиусов кривизны поверхностей электродов.
2. 
   
3. Профилирование поверхности электродов.
4. 
   
5. Секционирование изоляционных конструкций.
6. 
   
7. Проводящие и полупроводящие покрытия.
8. 
   
9. Градирование изоляции.
10. 
    
11. Распределение напряжения между электродами с помощью дополнительных конденсаторов.
12. 
    
13. Диэлектрические покрытия электродов.
14. 
    
15. Ограничение размеров областей повышенных Е, обусловленных шероховатостью поверхностей электродов.
16. 
    
17. Комбинирование изоляционных материалов.
18. 
    
19. Расщепленные провода и экраны.
20. 
    

При приближении к участку поверхности электрода с малым радиусом кривизны имеет место резкое возрастание напряженности Е. Для электростатических полей без объемных зарядов имеет место "закон кривизны"

где Е - абсолютное значение напряженностей электрического поля в некоторой точке поля, n - нормаль к эквипотенциальной поверхности в рассматриваемой точке, r1 и r2 - главные радиусы кривизны эквипотенциальной поверхности в той же точке. Напомним, что производная по выделенному (вдоль ) к поверхности направлению , где - направляющие косинусы.

В частном случае, когда (плоско-параллельное поле)

Таким образом, для уменьшения в промежутке при неизменном изоляционном расстоянии необходимо увеличивать радиусы кривизны поверхностей электродов. В этом и состоит суть данного метода регулирования поля.

.

Условия нормальной работы: соблюдение (55) (допустимой для данного вида изоляции максимальной напряженности в промежутке при рассматриваемом виде воздействия напряжения - испытательном, рабочем). Тогда, учитывая (55), получаем .

При r2=const, т.е. при неизменных внешних размерах конструкции, максимум определяется условием , которое соблюдается при оптимальном значении радиуса внутреннего электрода . Данное соотношение следует из последовательности уравнений

Значение дает минимум напряженности в промежутке (при r2=const и U=const). Ему соответствует максимальное значение допустимого напряжения .